Характеристика полимера

Характеристика полимеров является аналитической отраслью науки о полимерах .

Эта дисциплина занимается характеристикой полимерных материалов на различных уровнях. Целью характеризации обычно является улучшение характеристик материала. Таким образом, многие методы определения характеристик в идеале должны быть связаны с желаемыми свойствами материала, такими как прочность, непроницаемость, термическая стабильность и оптические свойства.

Методы определения характеристик обычно используются для определения молекулярной массы , молекулярной структуры, морфологии , термических свойств и механических свойств.

Молекулярная масса

Молекулярная масса полимера отличается от типичных молекул тем, что реакции полимеризации приводят к распределению молекулярных масс и форм. Распределение молекулярных масс можно суммировать с помощью среднечисленной молекулярной массы, средневесовой молекулярной массы и полидисперсности . Некоторыми из наиболее распространенных методов определения этих параметров являются измерения коллигативных свойств , статического светорассеяния методы , вискозиметрия и эксклюзионная хроматография .

Гель-проникающая хроматография , тип эксклюзионной хроматографии, является особенно полезным методом, используемым для непосредственного определения параметров молекулярно-массового распределения на основе гидродинамического объема полимера . Гель-проникающая хроматография часто используется в сочетании с многоугловым рассеянием света (MALS), малоугловым рассеянием лазерного света (LALLS) и/или вискозиметрией для абсолютного определения (т. е. независимо от деталей хроматографического разделения) молекулярно-массового распределения. а также коэффициент разветвления и степень разветвления длинной цепи полимера, при условии, что можно найти подходящий растворитель.

Определение молярной массы сополимеров представляет собой гораздо более сложную процедуру. Сложности возникают из-за влияния растворителя на гомополимеры и того, как это может повлиять на морфологию сополимера. Анализ сополимеров обычно требует использования нескольких методов определения характеристик. Например, сополимеры с короткоцепными разветвлениями, такие как линейный полиэтилен низкой плотности (сополимер этилена и высшего алкена, такого как гексен или октен), требуют использования методов аналитического элюционного фракционирования с повышением температуры (ATREF). Эти методы могут выявить, как разветвления короткой цепи распределяются по различным молекулярным массам. Более эффективный анализ молекулярной массы и состава сополимера возможен с использованием ГПХ в сочетании с системой тройного обнаружения, включающей многоугловое рассеяние света , УФ-поглощение и дифференциальную рефрактометрию, если сополимер состоит из двух основных полимеров, которые обеспечивают различную реакцию на УФ и /или показатель преломления.

Молекулярная структура

Многие аналитические методы, используемые для определения молекулярной структуры неизвестных органических соединений, также используются для характеристики полимеров. Спектроскопические методы, такие как спектроскопия ультрафиолетового и видимого диапазона , инфракрасная спектроскопия , рамановская спектроскопия , спектроскопия ядерного магнитного резонанса , спектроскопия электронного спинового резонанса , рентгеновская дифракция и масс-спектрометрия , используются для идентификации общих функциональных групп.

Морфология

Морфология полимера представляет собой микромасштабное свойство, которое в значительной степени определяется аморфными или кристаллическими частями полимерных цепей и их влиянием друг на друга. Методы микроскопии особенно полезны при определении этих микромасштабных свойств, поскольку домены, созданные морфологией полимера, достаточно велики, чтобы их можно было наблюдать с помощью современных инструментов микроскопии. Некоторые из наиболее распространенных методов микроскопии — это рентгеновская дифракция , просвечивающая электронная микроскопия , сканирующая просвечивающая электронная микроскопия , сканирующая электронная микроскопия и атомно-силовая микроскопия .

Морфология полимеров на мезомасштабе (от нанометров до микрометров) особенно важна для механических свойств многих материалов. Просвечивающая электронная микроскопия в сочетании с методами окрашивания , а также сканирующая электронная микроскопия и сканирующая зондовая микроскопия являются важными инструментами для оптимизации морфологии таких материалов, как полибутадиен - полистирольные полимеры и многие полимерные смеси.

Рентгеновская дифракция обычно не так сильна для этого класса материалов, поскольку они либо аморфны, либо плохо кристаллизованы. Малоугловое рассеяние, такое как малоугловое рентгеновское рассеяние (SAXS), можно использовать для измерения длинных периодов полукристаллических полимеров.

Термические свойства

Настоящей рабочей лошадкой для определения характеристик полимеров является термический анализ , особенно дифференциальная сканирующая калориметрия . Изменения композиционных и структурных параметров материала обычно влияют на его плавление или стеклование, а это, в свою очередь, может быть связано со многими эксплуатационными параметрами. Для полукристаллических полимеров это важный метод измерения кристалличности. Термогравиметрический анализ также может указать на термическую стабильность полимера и влияние добавок, таких как антипирены.Другие методы термического анализа обычно представляют собой комбинации основных методов и включают дифференциальный термический анализ , термомеханический анализ , динамический механический термический анализ и диэлектрический термический анализ .

Динамическая механическая спектроскопия и диэлектрическая спектроскопия по сути являются расширением термического анализа, который может выявить более тонкие переходы с температурой, поскольку они влияют на комплексный модуль или диэлектрическую функцию материала.

Механические свойства

Характеристика механических свойств полимеров обычно относится к показателю прочности, эластичности, вязкоупругости и анизотропии полимерного материала. Механические свойства полимера сильно зависят от Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий полимерных цепей и способности цепей удлиняться и выравниваться в направлении приложенной силы. Другие явления, такие как склонность полимеров к образованию трещин, могут влиять на механические свойства. Обычно полимерные материалы характеризуются как эластомеры, пластмассы или жесткие полимеры в зависимости от их механических свойств.

Предел прочности , предел текучести и модуль Юнга являются мерами прочности и упругости и представляют особый интерес для описания деформационно-напряженных свойств полимерных материалов. Эти свойства можно измерить посредством испытаний на растяжение. Для кристаллических или полукристаллических полимеров анизотропия играет большую роль в механических свойствах полимера. Кристалличность полимера можно измерить с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии . В аморфных и полукристаллических полимерах под действием напряжения полимерные цепи способны распутываться и выравниваться. Если напряжение прикладывается в направлении выравнивания цепей, полимерные цепи будут демонстрировать более высокий предел текучести и прочность, поскольку ковалентные связи, соединяющие основную цепь полимера, поглощают напряжение. Однако, если напряжение прикладывается перпендикулярно направлению выравнивания цепи, ван-дер-ваальсовы взаимодействия между цепями будут в первую очередь отвечать за механические свойства и, таким образом, предел текучести уменьшится. Это можно наблюдать на графике напряжения и деформации, полученном при испытаниях на растяжение. Поэтому подготовка образца, включая ориентацию цепи внутри образца, для испытаний на растяжение может играть большую роль в наблюдаемых механических свойствах.

Свойства разрушения кристаллических и полукристаллических полимеров можно оценить с помощью испытаний на удар по Шарпи . Испытания по Шарпи, которые также можно использовать с системами сплавов, выполняются путем создания надреза в образце, а затем с помощью маятника разрушают образец в месте надреза. Движение маятника можно использовать для экстраполяции энергии, поглощенной образцом, и его разрушения. Тесты Шарпи также можно использовать для оценки скорости деформации перелома, измеряемой с помощью изменений массы маятника. Обычно с помощью испытаний Шарпи оценивают только хрупкие и несколько пластичные полимеры. В дополнение к энергии разрушения можно визуально оценить тип разрушения, например, был ли разрыв полным разрушением образца или образец подвергся разрушению только в части образца, и сильно деформированные секции все еще соединены. Эластомеры обычно не оцениваются с помощью испытаний Шарпи из-за их высокой деформации текучести, которая препятствует получению результатов испытаний Шарпи.

Существует множество свойств полимерных материалов, влияющих на их механические свойства. По мере повышения степени полимеризации увеличивается и прочность полимера, поскольку более длинные цепи имеют высокие ван-дер-ваальсовые взаимодействия и перепутывание цепей. Длинные полимеры могут перепутываться, что приводит к последующему увеличению модуля объемного сжатия. Крейзы — это небольшие трещины, которые образуются в полимерной матрице, но останавливаются небольшими дефектами полимерной матрицы. Эти дефекты обычно состоят из второго низкомодульного полимера, который диспергирован по всей первичной фазе. Крейзы могут повысить прочность и уменьшить хрупкость полимера, позволяя небольшим трещинам поглощать более высокие напряжения и деформации, не приводя к разрушению. Если позволить крейзам распространяться или сливаться, они могут привести к кавитации и разрушению образца. Крейзы можно увидеть с помощью просвечивающей электронной микроскопии и сканирующей электронной микроскопии, и обычно они встраиваются в полимерный материал во время синтеза. Сшивка, обычно наблюдаемая в термореактивных полимерах, также может увеличить модуль упругости, предел текучести и предел текучести полимера.

Динамический механический анализ является наиболее распространенным методом, используемым для характеристики вязкоупругого поведения, характерного для многих полимерных систем. ДМА также является еще одним важным инструментом для понимания температурной зависимости механического поведения полимеров. Динамический механический анализ — это метод определения характеристик, используемый для измерения модуля упругости и температуры стеклования, подтверждения сшивки, определения температур переключения в полимерах с памятью формы, мониторинга отверждения в термореактивных материалах и определения молекулярной массы. К образцу полимера прикладывают колебательную силу и регистрируют реакцию образца. DMA документирует задержку между приложенной силой и восстановлением деформации в образце. Вязкоупругие образцы имеют синусоидальный модуль, называемый динамическим модулем . Как восстановленная, так и потерянная энергия учитываются во время каждой деформации и количественно описываются модулем упругости (E') и модулем потерь (E'') соответственно. Приложенное напряжение и деформация образца имеют разность фаз ẟ, которая измеряется с течением времени. Новый модуль рассчитывается каждый раз, когда к материалу прикладывается напряжение, поэтому DMA используется для изучения изменений модуля при различных температурах или частотах напряжения.

Другие методы включают вискозиметрию , реометрию и маятниковую твердость .

Другие методы

• Фракционирование полевого потока
• лазерный масс-анализ
• АКОМП
• МФО
• Интерферометрия двойной поляризации
• Лазерная десорбция/ионизация с помощью матрицы